-國(guó)產(chǎn)測(cè)繪級(jí)激光雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)及交通設(shè)施數(shù)字化應(yīng)用

國(guó)產(chǎn)測(cè)繪級(jí)激光雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)及交通設(shè)施數(shù)字化應(yīng)用毛慶洲教授武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院P21P31.1研究背景-基礎(chǔ)設(shè)施安全運(yùn)維是國(guó)家重大需求基礎(chǔ)設(shè)施“結(jié)構(gòu)形狀和表面變化”是眾多安全事故的直接原因鐵路：軌道板離縫、鋼軌磨耗、扣件失效等影響行車安全香港高鐵因軌道變形脫軌隧道：襯砌掉塊、透水、侵界、錯(cuò)臺(tái)、結(jié)構(gòu)變形等引發(fā)重公路：高速公路\機(jī)場(chǎng)跑道等路面坑槽、破損等影響出行安全香港高鐵因軌道變形脫軌扣件松脫導(dǎo)致列車脫軌扣件松脫導(dǎo)致列車脫軌結(jié)構(gòu)形面“狀態(tài)測(cè)量”是基礎(chǔ)設(shè)施安全運(yùn)維的關(guān)鍵P41.1研究背景-結(jié)構(gòu)形面狀態(tài)測(cè)量現(xiàn)狀與難題我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施正從大規(guī)模建設(shè)向精細(xì)化養(yǎng)護(hù)轉(zhuǎn)變刻槽縫空間分布廣泛、環(huán)境惡劣觀測(cè)時(shí)間受限、精度高結(jié)構(gòu)尺度多變、形狀復(fù)雜指標(biāo)測(cè)精難狀態(tài)判準(zhǔn)難普查測(cè)全難指標(biāo)測(cè)精難狀態(tài)判準(zhǔn)難普查測(cè)全難精度差效率低精度差效率低高效、高精度測(cè)量技術(shù)是大范圍基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)測(cè)量的亟需1.1主要?jiǎng)?chuàng)新思路公路、發(fā)明高精度脈沖-相位混合式激光掃描發(fā)明高精度脈沖-相位混合式激光掃描裝置?高信噪比高速率數(shù)字化波形高精度高重頻測(cè)距?點(diǎn)頻150萬(wàn)HZ、高精度（0.5mm）P5快速、精準(zhǔn)、智能的系列自主測(cè)量系列裝備公路隧道檢測(cè)大機(jī)搗固清篩測(cè)量道岔結(jié)構(gòu)檢測(cè)地鐵隧道精密測(cè)量高鐵全斷面測(cè)量發(fā)展融合高分影像和點(diǎn)云的交通基礎(chǔ)設(shè)施病害分析與提取方法小波分析隧道環(huán)片點(diǎn)云去噪融合點(diǎn)云灰度\深度圖、高分圖像的病害定位及精準(zhǔn)識(shí)別P6222.激光雷達(dá)測(cè)距原理及方法nn脈沖式激光雷達(dá)(dTOF)測(cè)量距離遠(yuǎn)n脈沖式單光子激光雷達(dá)測(cè)量距離很遠(yuǎn)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，易小型化測(cè)距精度較低，為cm級(jí)到mm級(jí)測(cè)距噪點(diǎn)多測(cè)量速度慢n相位式激光雷達(dá)測(cè)距n相位式激光雷達(dá)測(cè)距精度高，為mm級(jí)到亞mm級(jí)測(cè)量距離近系統(tǒng)較復(fù)雜n三角法測(cè)距測(cè)距精度可達(dá)到μm級(jí)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本較低測(cè)量距離很近，精度與測(cè)程互相制約P72.全波形激光雷達(dá)技術(shù)波形數(shù)字化方法——高速ADC采樣技術(shù)及FPGA在線處理技術(shù)n激光發(fā)射和回波波形n波形數(shù)字化D=cΔtl數(shù)據(jù)量高達(dá)50Gbits，由FPGA強(qiáng)大的在線處理能力，實(shí)時(shí)解算種子光和回波的時(shí)間間隔，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距、多回波檢測(cè)、獲得目標(biāo)物反射率等需求。關(guān)鍵點(diǎn)：處理算法的優(yōu)化及其關(guān)鍵點(diǎn)：處理算法的優(yōu)化及其FPGA實(shí)現(xiàn)2.全波形激光雷達(dá)技術(shù)高精度測(cè)距——多回波技術(shù)ll高速處理能力每個(gè)探測(cè)到的回波都需要進(jìn)行處理，對(duì)算法效率提出很高要求ll波形分解EM常見(jiàn)的波形分解算法有EM、LM算法EMEM算法：將波形視為概率密度函數(shù)，通過(guò)求解波形占比進(jìn)而求解每個(gè)子波形的參數(shù)；LM算法：利用非線性最小二乘法求解多個(gè)可將重疊波形分解出數(shù)個(gè)子波形可將重疊波形分解出數(shù)個(gè)子波形，獲得更多測(cè)距值LMP9波形分解需要迭代LMP9波形分解需要迭代，耗時(shí)較長(zhǎng)，對(duì)波形形態(tài)要求較高，且回波間隔小于1倍FWHM將無(wú)法分辨是否有多個(gè)波形；小于1.5倍FWHM測(cè)距偏差較大；大于2倍FWHM波形已基本分離2.全波形激光雷達(dá)技術(shù)高精度測(cè)距——采樣頻率&脈寬不同算法在不同采樣頻率下的精度脈寬t參考光幅值!不同算法在不同采樣頻率下的精度采樣頻率!波形插值倍率測(cè)距精度↓測(cè)距精度!測(cè)距精度↓測(cè)距精度不同脈寬的參考光4ns脈寬、不同脈寬的參考光原始5GHz數(shù)/mm原始2.5GHz原始1.25GHz2.全波形激光雷達(dá)技術(shù)俯視截面圖俯視截面圖高精度指向——面型角度標(biāo)定采用多面鏡掃描時(shí)采用多面鏡掃描時(shí)，存在兩個(gè)方向上的角度誤差正視截面圖正視截面圖多面鏡掃描能有效增加掃描線數(shù)多面鏡掃描能有效增加掃描線數(shù)，且能設(shè)計(jì)不同的反射角度實(shí)現(xiàn)不同的掃描方向需要對(duì)角度誤差進(jìn)行修正需要對(duì)角度誤差進(jìn)行修正P112.全波形激光雷達(dá)技術(shù)多周期回波技術(shù)——問(wèn)題描述在高頻率測(cè)距時(shí)在高頻率測(cè)距時(shí)，當(dāng)回波接收到的時(shí)間大于激光發(fā)射間隔時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生模糊測(cè)距P122.全波形激光雷達(dá)技術(shù)飛行條件：飛行條件：三面塔鏡掃描，250m航高，900k點(diǎn)頻(跨2個(gè)MTA區(qū)間)l最大回波數(shù)：5次l錯(cuò)誤區(qū)間噪點(diǎn)占比：0.103%l點(diǎn)密度：206.8pt/m2（單航帶）研究研究MTA解算技術(shù)，解決高重頻和遠(yuǎn)測(cè)程制約問(wèn)題，提高點(diǎn)密度和作業(yè)效率2.1國(guó)產(chǎn)全波形激光雷達(dá)-城市三維地形多回波P142.2國(guó)產(chǎn)車載掃描精度對(duì)比分析P152.2國(guó)產(chǎn)車載掃描精度對(duì)比方案設(shè)計(jì)n試驗(yàn)?zāi)康模簢?guó)產(chǎn)\進(jìn)口激光雷達(dá)精度對(duì)比分析。n試驗(yàn)方案：選用除激光雷達(dá)不同外配置完全相同的兩款移動(dòng)三維測(cè)量系統(tǒng)，分別搭載國(guó)產(chǎn)270和德國(guó)Z+F9012激光雷達(dá)。n試驗(yàn)場(chǎng)地：本次試驗(yàn)選用某普鐵隧道，進(jìn)行移動(dòng)三維掃描掃描后隧道全斷面點(diǎn)云精度對(duì)比。n試驗(yàn)日期：2022年10月。P16n掃描原理：相位式n掃描頻率：200HZn掃描點(diǎn)頻：100萬(wàn)點(diǎn)/sn測(cè)距精度：2mm@80mn測(cè)距范圍：0.5~119mn掃描原理：脈沖相位式n掃描頻率：150HZn掃描點(diǎn)頻：100萬(wàn)點(diǎn)/sn測(cè)距精度：2mm@20mn測(cè)距范圍：0.5~300m2.2國(guó)產(chǎn)車載掃描精度對(duì)比分析n國(guó)產(chǎn)270掃描儀三維點(diǎn)云效果P17n國(guó)產(chǎn)270掃描儀三維點(diǎn)云效果P17nZ+F9012三維點(diǎn)云效果2.2國(guó)產(chǎn)車載掃描精度對(duì)比分析nZ+F9012\國(guó)產(chǎn)270點(diǎn)云疊加分析：測(cè)距重復(fù)性和一致性均優(yōu)于2mm，滿足高精度測(cè)量檢測(cè)精度要求P18P192.3國(guó)產(chǎn)機(jī)載掃描精度對(duì)比進(jìn)口奧地利Riegl進(jìn)口奧地利Riegl-VUX-1無(wú)人機(jī)載激光P202.3國(guó)產(chǎn)機(jī)載掃描精度對(duì)比n國(guó)產(chǎn)FT1500三維點(diǎn)云效果nRielgn國(guó)產(chǎn)FT1500三維點(diǎn)云效果2.3國(guó)產(chǎn)機(jī)載掃描精度對(duì)比P21 H1區(qū)間表明穿透樹(shù)木達(dá)到地面的區(qū)域nnH1區(qū)間比例皆高于RIEGLVUX-1點(diǎn)云穿透性較好nH2~H4區(qū)間比例與RIEGLVUX差別不大，垂直結(jié)構(gòu)豐富程度相當(dāng)2.3國(guó)產(chǎn)機(jī)載掃描精度對(duì)比P22nP22n高程精度與RIEGLVUX-1基本一致nn點(diǎn)密度分別為RIEGLVUX-1的2.7倍和1.9倍P2333P243.1移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)與挑戰(zhàn)特點(diǎn)動(dòng)態(tài)性多源性海量性高精度傳感器在運(yùn)動(dòng)中完成對(duì)目標(biāo)的觀測(cè)需要多個(gè)不同種類與特性的傳感器同步觀測(cè)傳感器在觀測(cè)過(guò)程中記錄海量的數(shù)據(jù)海量數(shù)據(jù)處理需要自動(dòng)化、智能化的解譯算法弱GNSS甚至無(wú)GNSS區(qū)域,如何保持定位的準(zhǔn)確性時(shí)空基準(zhǔn)同步控制存儲(chǔ)管理智能解譯精密定位3.2核心技術(shù)-多傳感器集成技術(shù)n高精度移動(dòng)三維掃描系統(tǒng)以車載平臺(tái)為基礎(chǔ)，集成GNSS/IMU/DMI組合定位定姿系統(tǒng)、激光掃描儀、相機(jī)、多傳感器同步控制單元、嵌入式計(jì)算機(jī)以及電源供電系統(tǒng)等設(shè)備。n搭建道路全斷面測(cè)量平臺(tái)，在同步控制單元的協(xié)調(diào)下使各個(gè)傳感器之間實(shí)現(xiàn)時(shí)空同步，P25快速采集獲取道路沿線的全斷面時(shí)空數(shù)據(jù)。存在問(wèn)題3.2核心技術(shù)-組合定位定姿技術(shù)存在問(wèn)題地下受限或封閉環(huán)境下位置精確動(dòng)態(tài)位置測(cè)量精度差地下受限或封閉環(huán)境下位置精確動(dòng)態(tài)位置測(cè)量精度差傳統(tǒng)的GNSS動(dòng)態(tài)測(cè)量精度僅為分米級(jí)，不滿足厘米級(jí)甚至毫米級(jí)傳統(tǒng)的GNSS動(dòng)態(tài)測(cè)量精度僅為分米級(jí)，不滿足厘米級(jí)甚至毫米級(jí)的工業(yè)測(cè)量需求，同時(shí)無(wú)法進(jìn)行隧道無(wú)GNSS動(dòng)態(tài)測(cè)量矛盾攻克地下復(fù)雜環(huán)境下慣性高精度位置與姿態(tài)測(cè)量技術(shù)攻克地下復(fù)雜環(huán)境下慣性高精度位置與姿態(tài)測(cè)量技術(shù)將鐵路隧道結(jié)構(gòu)形面測(cè)量絕對(duì)精度從分米級(jí)提高到毫米級(jí)P263.3研究成果-高分辨率三維激光激光成像技術(shù)P27固定站點(diǎn)掃描成像軌道移動(dòng)三維掃描成像軌道移動(dòng)線掃描成像3.4典型應(yīng)用-扣件智能檢測(cè)扣件安裝狀態(tài)檢查裝備扣件歪斜自動(dòng)化檢測(cè)軟件扣件丟失扣件間隙過(guò)大指標(biāo)名稱指標(biāo)參數(shù)檢測(cè)速度30000個(gè)/時(shí)檢測(cè)精度0.2mm檢測(cè)項(xiàng)目工作方式連續(xù)普查工作速度P293.5典型應(yīng)用-高鐵軌道板裂縫與離縫檢測(cè)自動(dòng)化軌道板離縫裂縫檢測(cè)裝備自動(dòng)化檢測(cè)軟件自動(dòng)化軌道板離縫裂縫檢測(cè)裝備自動(dòng)化檢測(cè)軟件指標(biāo)名稱指標(biāo)參數(shù)測(cè)量速度0-10km/h離縫精度0.2mm裂縫精度工作時(shí)間>4h工作溫度-10°C—50°C設(shè)備重量≤80kg全線路軌道板圖像軌道板裂縫檢測(cè)離縫檢測(cè)3.5典型應(yīng)用-軌道廓形測(cè)量n鋼軌廓形磨耗檢測(cè)利用GNSS\IMU\線結(jié)構(gòu)激光傳感器獲取鋼軌斷面輪廓數(shù)據(jù)，通過(guò)算法智能化P30P30實(shí)現(xiàn)線路幾何參數(shù)、鋼軌廓形、磨耗及傷損等鋼軌狀態(tài)綜合評(píng)估3.5典型應(yīng)用-軌道廓形測(cè)量區(qū)間廓形偏差圖P31鋼軌連續(xù)廓形變化圖3.5典型應(yīng)用-道岔測(cè)量PP333.5典型應(yīng)用-高鐵軌道全斷面綜合檢測(cè)n高鐵軌道全斷面綜合檢測(cè)平臺(tái)以電動(dòng)自行小車為載體，集成軌道扣件檢查模塊、軌道板裂縫與離縫外業(yè)采集，充分利用天窗內(nèi)業(yè)精細(xì)化分析成果化報(bào)表輸出3.5典型應(yīng)用-高鐵軌道全斷面綜合檢測(cè)線路三維點(diǎn)云及實(shí)景扣件三維軌道板及支承層P34軌面光帶P34軌面光帶3.5典型應(yīng)用-高鐵軌道全斷面綜合檢測(cè)路基：電纜槽蓋板狀態(tài)（缺失、破損）聲屏障：?jiǎn)卧邋e(cuò)位、脫落（兩板內(nèi)部、兩板之間）P35橋梁：兩線間防水層狀態(tài)（卷起、異物）隧道：綜合洞室牌子（缺失、損壞、脫落）P363.6創(chuàng)新應(yīng)用-軌道移動(dòng)三維掃描大機(jī)搗固清篩技術(shù)nn技術(shù)背景：現(xiàn)階段大機(jī)搗固清篩作業(yè)需要實(shí)施軌道線形測(cè)量作業(yè)，精度要求平面20mm，高程15mm。滿足線路線形平順性設(shè)計(jì)要求和抬道和撥道施工要求，保障線路運(yùn)營(yíng)安全。n主要問(wèn)題：現(xiàn)階段方案采用慣導(dǎo)小車，依賴控制網(wǎng)，采用慣性小車接觸測(cè)量方式作業(yè)效率低1-3km/h，現(xiàn)場(chǎng)里程人工校核作業(yè)要求高，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高。P373.6創(chuàng)新應(yīng)用-軌道移動(dòng)三維掃描大機(jī)搗固清篩技術(shù)n方案架構(gòu)nn方案架構(gòu)n軌道移動(dòng)三維掃描大機(jī)搗固測(cè)量車臺(tái)以電動(dòng)自行小車為載體，搭載軌道幾何線形三維掃描系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)15km/h速度下的軌道高精度場(chǎng)景采集，系統(tǒng)集成激光慣導(dǎo)、GNSS、國(guó)產(chǎn)270掃描儀、里程編碼器和同步控制模塊等，搭配后處理軟件模塊實(shí)現(xiàn)大機(jī)搗固成果輸出。激光發(fā)射頻率200萬(wàn)點(diǎn)/秒掃描頻率150轉(zhuǎn)/秒掃描角度測(cè)距精度2mm@10m線路橫向偏差絕對(duì)精度20mm線路垂向偏差絕對(duì)精度15mm線路相對(duì)偏差相對(duì)精度2mm慣性單元作業(yè)效率0-20km/h軌道車全天侯作業(yè)（雨雪除外）P383.6創(chuàng)新應(yīng)用-軌道移動(dòng)三維掃描大機(jī)搗固清篩技術(shù)3.6創(chuàng)新應(yīng)用-軌道移動(dòng)三維掃描大機(jī)搗固清篩技術(shù)P393.6創(chuàng)新應(yīng)用-軌道移動(dòng)三維掃描大機(jī)搗固清篩技術(shù)P403.6創(chuàng)新應(yīng)用-軌道移動(dòng)三維掃描大機(jī)搗固清篩技術(shù)P41n直線撥距表\緩和曲線撥距表\圓曲線撥距表P413.6創(chuàng)新應(yīng)用-軌道移動(dòng)三維掃描大機(jī)搗固清篩技術(shù)n抬落量表P42P433.6創(chuàng)新應(yīng)用-軌道移動(dòng)三維掃描大機(jī)搗固清篩技術(shù)n與慣導(dǎo)小車線形設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析n選用本方案成果的軌道調(diào)整數(shù)據(jù)與慣導(dǎo)小車軌道調(diào)整數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，線形設(shè)計(jì)方案精度一致，完全滿足軌道大機(jī)搗固作業(yè)要求（平面20mm，高程15mm兩套方案對(duì)比本方案外業(yè)作業(yè)效率提升5倍以上。P44 3.7創(chuàng)新應(yīng)用-融合激光圖像的隧道檢測(cè)測(cè)量技術(shù)nn技術(shù)背景：現(xiàn)階段基于三維激光掃描的隧道結(jié)構(gòu)型面檢測(cè)作業(yè)方案已經(jīng)比較成熟，由于國(guó)內(nèi)缺乏測(cè)距精度優(yōu)于2mm的高精度激光掃描技術(shù)，主流廠家均集成德國(guó)Z+F9012、徠卡P40、Faro等高精度三維掃描模塊。n主要問(wèn)題：系統(tǒng)整體集成費(fèi)用高，售后維護(hù)周期長(zhǎng)（4個(gè)月以上）。滿足隧道高精度檢測(cè)測(cè)量要求（測(cè)距精度優(yōu)于2mm@20m）的國(guó)產(chǎn)高精度三維激光掃描技術(shù)現(xiàn)階段處于空白。 3.7創(chuàng)新應(yīng)用-融合激光圖像的隧道檢測(cè)測(cè)量技術(shù)n創(chuàng)新思路：團(tuán)隊(duì)結(jié)合自身隧道激光三維掃描技術(shù)成果以及近6年來(lái)在國(guó)內(nèi)二十余地鐵城市5000km地鐵隧道和1000km高鐵隧道工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一套融合激光圖像的隧道檢測(cè)測(cè)量技術(shù)方案，該方案經(jīng)湖北省科技成果鑒定為國(guó)際領(lǐng)先。n突破了自主高精度地鐵隧道三維掃描技術(shù)裝置國(guó)產(chǎn)化難題，發(fā)明專利10余項(xiàng)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。P45 3.7創(chuàng)新應(yīng)用-融合激光圖像的隧道檢測(cè)測(cè)量技術(shù)技術(shù)方案滿足地鐵\高鐵隧道收斂、錯(cuò)臺(tái)、侵限、掉塊、滲水、裂縫技術(shù)方案